Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. Per una radice: controlla il cambio di segno per la bisezione, oppure calcola f e f′ per Newton, e mantieni sei o più cifre in una tabella di iterate.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. Per un integrale: trova h = (b − a)/n, elenca f in ogni nodo, applica i pesi (1, 2, …, 2, 1 per i trapezi; 1, 4, 2, …, 4, 1 per Simpson con n pari) e moltiplica per h/2 o h/3.
  4. Per un’equazione differenziale: avanza da t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Eulero) o con la pendenza media (Heun), una riga per passo, fino a raggiungere il t richiesto.

2Esercizi

1.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)14Ta​12 °C22 °C

Una lattina di bibita a 4 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 28 °C. Dopo 14 min la sua temperatura è 12 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Quanto tempo dopo l’inizio, t, impiega a raggiungere 22 °C?

T0 = 4 °CTa = 28 °CT(14) = 12 °CT = 22 °C
t = min
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyK = 5y(1,5) = ?

Un sistema obbedisce a y″ + 2y′ + 17y = 85 per t ≥ 0, partendo da fermo: y(0) = 0, y′(0) = 0. Trova y(1,5); angoli in radianti.

y″ + 2y′ + 17y = 85y(0) = 0y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
xy2y = x·cos x

Calcola I = ∫₀2 x·cos x dx (x in radianti).

∫₀2 x·cos x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xyy = 0,5x2​y = 4x

Trova l'area A della regione delimitata da y = 0,5x2 e y = 4x.

y = 0,5x2y = 4x
A =
5.DerivateMedia
xyx = −1

Sia f(x) = (4x + 5)3. Trova f′(−1).

f(x) = (4x + 5)3x = −1
f′(−1) =
6.DerivateDifficile
xyx = −2

La retta tangente a f(x) = 3x2 + 2x + 2 in x = −2 interseca l'asse y in y = b. Trova b.

f(x) = 3x2 + 2x + 2x = −2
b =
7.Metodi numericiMedia
xy00,33330,666711,3331,6672

Approssima ∫02 sin(x²) dx con la regola di Simpson usando n = 6 strisce. Dai S.

f(x) = sin(x²)[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,10,20,30,40,20,30,4ty(0, 0,2)

Risolvi y′ = y(2 − y), y(0) = 0,2 con il metodo di Eulero e passo h = 0,1 fino a t = 0,4. La soluzione esatta è y = 2y₀/(y₀ + (2 − y₀)e−2t). Trova l’errore globale |E| = |y(0,4) − y4|.

y′ = y(2 − y)y(0) = 0,2h = 0,1
|E| =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: t = 47,87 min

Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.

Costante di raffreddamento

k = ln(-24/-16)/14 = 0,02896 min⁻¹

Tempo per raggiungere la temperatura desiderata

t = ln(-24/(−6))/0,02896 = 47,87 min

Risposta

t = 47,87 min
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 4,007

Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.

Valore a regime e radici

yss = 5, r = −1 ± 4j

Costanti dai valori iniziali

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −1,25

Calcola

y(1,5) = 5·(1 − e−1,5(cos 6 + 0,25·sin 6)) = 4,007

Risposta

y(1,5) = 4,007
3.Integrali

Risposta: I = 0,4024

Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.

Scegli u e dv

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

Primitiva

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

Limiti

(2·sin 2 + cos 2) − (0 + 1) = 0,4024

Risposta

I = 0,4024
4.Integrali

Risposta: A = 42,67

Integrali definiti: ∫ₐᵇ f(x) dx è l'area con segno tra il grafico e l'asse x da a a b. Trova una primitiva F (con F′ = f) e calcola F(b) − F(a). Regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). L'area tra due curve è ∫(superiore − inferiore) dx.

Punti di intersezione

0,5x2 = 4x → x = 0, x = 8

Integra superiore meno inferiore

A = [2x2 − 0,1667x3]08 = 42,67

Risposta

A = 42,67
5.Derivate

Risposta: f′(−1) = 12

Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.

Regola della catena

f′(x) = 3·(4x + 5)2·4

Sostituisci

f′(−1) = 3·12·4 = 12

Risposta

f′(−1) = 12
6.Derivate

Risposta: b = −10

Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.

Punto e pendenza

f(−2) = 10
f′(x) = 6x + 2 → f′(−2) = −10

Retta tangente in x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 10 − (−10)·(−2) = −10

Risposta

b = −10
7.Metodi numerici

Risposta: S = 0,8104

Integrazione numerica: dividi [a, b] in n strisce di larghezza h = (b − a)/n con nodi x₀ … xₙ. Regola dei trapezi: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regola di Simpson (n pari): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’errore dei trapezi diminuisce come h² (maggiorazione (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|), quello di Simpson come h⁴, quindi Simpson è di solito molto più accurata a parità di nodi.

ixᵢf(xᵢ)peso000110,3333330,110883420,6666670,4299562310,841471441,3333330,978656251,6666670,355842462−0,7568021

Nodi e valori

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 0 + 4·0,110883 + 2·0,429956 + 4·0,841471 + 2·0,978656 + 4·0,355842 − 0,756802 = 7,293204

Regola di Simpson

S = (0,3333/3)·7,293204 = 0,8104

Risposta

S = 0,8104

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: |E| = 0,01657

Soluzione numerica di y′ = f(t, y): il metodo di Eulero avanza lungo la pendenza all’inizio di ogni passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Il metodo di Heun (Eulero migliorato) fa la media della pendenza all’inizio e in una previsione di Eulero: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Il metodo classico di Runge–Kutta (RK4) combina quattro pendenze: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’errore globale di Eulero è proporzionale a h, quello di Heun a h², quello di RK4 a h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁000,20,360,23610,10,2360,4163040,2776320,20,277630,4781820,32544930,30,3254490,544980,379947

Passi di Eulero

y4 = 0,379947

Valore esatto

y(0,4) = 0,396514

Errore globale

|E| = |0,396514 − 0,379947| = 0,01657
00,10,20,30,40,20,30,4ty

Grafico

Risposta

|E| = 0,01657

Dimezzare h dimezza all’incirca l’errore del metodo di Eulero.

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